基于遙感和GIS的生態健康評價
——以石羊河流域為例

韓一星

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730020）

石羊河是甘肅三大內陸河之一，它是一條古老而又美麗的河。位于河西走廊東端，發源于積雪皚皚的冷龍嶺，滋潤著美麗的西涼大地，孕育了燦爛輝煌的古涼州文化，創造了聞名于世的金川鎳都。她就像一條蒼龍蜿蜒流長數百公里。如今，隨著周邊人類的開發和破壞，這里已成為環境惡劣的沙塵暴來源之一，生態環境日益惡化，引起了更多人的關注，讓很多生態學家為眼前所看到的破壞之境而感到心痛。這個地區因為長期干旱和水資源不斷流失的原因，已經讓沙漠重重包圍，多年來，降水較多的夏季也難以維持流域內部蓄水的充分，更不用說其他季節水位下降問題。目前已經無法供給周邊居民日常飲水，水里雜質較多也不利于健康飲用，生態環境一直處于崩潰邊緣。為了蓄水種植的沙棗樹也無法生存，土壤也因干旱變得逐漸鹽堿化，讓文明的石羊河流域逐漸成為死水一般。

當前，日益嚴峻的生態環境現狀讓當地生態系統逐步遭到破壞，使得需要恢復的時間不斷延長，為此，許多生態學、環境學專家和學者都對石羊河流域的生態環境狀況進行研究和分析。例如王琪和郭承錄正確認識了流域生態是人為破壞而造成的，他們提倡加大對石羊河流域生態環境的關注，并為其生態變化梳理出具體的演化趨勢，從而提供相應的治理方案來解決這一問題。當然，胡建勛和馬國軍從生態環境資源的角度也對其進行研究，他們重點強調石羊河流域的水資源問題，認為流域水量適中，但分布較廣，且利用率遠遠超過儲存量，沒有達到水資源的優化配置。并根據問題提出了具體的水資源分配管理方案。越來越多的專家學者加大了對拯救和保護石羊河生態流域的關注，這也使評價石羊河流域的生態健康成為重點內容，文章就從生態安全、生態保護的角度出發，在互聯網大數據的支持之下，通過生態評價體系，做好對石羊河流域的生態健康綜合評價，能夠更好地對出現環境問題的地方給予相應的措施，利于更好更快進行恢復生態，促進生態環境綠色、可持續發展，促進我國生態文明建設更上一層樓。

1 研究區概況

“汩汩清流潤城郭 盈盈碧波鎖黃沙”。石羊河流域作為甘肅境內的較大流域之一，在經過生態文明治理和保護后，其中的威武段入選為2021年全國美麗河湖的優秀案例。這也是石羊河流域生態文明恢復的重要代表。石羊河流域位于甘肅省境內，處于河西走廊東端，是甘肅省內陸水系之一，終于民勤綠洲，是民勤綠洲唯一的地表河流。該條水系主要走向是自東向西，隨著城鎮、水庫以及具體的地勢而流。這條流域主要通過八條主要河流以及一些小溝小河組成。這些大河小河全部發源于祁連山脈，河流向下流經，出山后呈倒立扇形向北部逐漸匯集。

這八條河流中，大靖河和古浪河都途徑古浪縣，為古浪縣的農業澆灌提供便利。石羊河有“大漠明珠”之稱，他直接從騰格里沙漠穿過，與雜木河、金塔河匯聚，并為周邊干旱的土地提供唯一的水源。主要途經甘肅威武市的涼州區境內，通過這兩條河還再次建設了中型的調節水庫，促進當地發電旅游和用水。西營河作為石羊河的一部分流域，主要經過威武市西南部區，其上游與寧昌河共同匯聚于響水河中，下游主要為威武西南部的山區作為降水的補給以夏季氣溫高時水量較大，徑流較為充足，有很多分叉，很多直接隱藏于山區，不得利用。西大河河東大河通過紅牙山水庫后流入民勤盆地，最終匯入尾閭青土湖中，分散于各個沙漠。因為處于西北地區，離海邊較遠，且西北地區天氣較為干燥，整體屬于大陸性溫帶干旱氣候。所以石羊河流域較為干旱， 常年降水量較少， 給流域內部的支流很少的降水補給。

而且石羊河流域周邊人口密度大，對水資源的需求高，這使得水資源的供需問題成為最尖銳、矛盾的主要問題。加上人類生活生產不規律， 給這本就脆弱的生態流域帶來巨大的破壞，讓石羊河流域的水流環境逐步惡化，成為最嚴重的被破壞流域之一。從降水量來說，其中南部祁連山高寒半干旱濕潤區海拔介于2 000~5 000 m之間，干旱指數1~4；中部走廊平原溫良干旱區海拔介于1 500~2 000 m之間，干旱指數4~15；其中北部海拔比中部平原高300~500 m，但是降水量很少，是整個流域降水最少的地方，只有150 mm。民勤盆地周圍分布著騰格里沙漠，水分蒸發快，降水又少，是特別嚴重的干旱地區。

2 研究方法

2.1 數據源和預處理

本次研究選用了Landsat 8 OLI_TRIS的遙感數據作為基礎信息源，此外還包括一些輔助數據：石羊河流域的行政區劃圖、1980年1∶50000地形圖、2000年1∶10000地形圖、土地利用數據（http：//globalchange.nsdc.cn）、依據中國主要地形形勢和走向而監測的空間數據，借助云平臺進行上傳，最后根據BIM技術可以構建和創立三維模型，通過互聯網終端形式進行平臺操縱和數據處理，能夠讓地形圖更加生動形象，讓生態環境的數據更加準確。利用ArcGIS軟件的空間分析功能得到石羊河行政界線處理生成研究區的數據影像；用ArcGIS空間分析功能對DEM數據做流域分析處理。通過填洼、流向、流量、河網提取、河流連接點處理，得到石羊河流域范圍；數據融合采用HIS變換法，然后對融合后影像采用計算機監督分類，將全區分為林地、農田、建設用地、水體、園地、等14種景觀類型。

2.2 評價指標體系及指標量化分級

生態健康評價指標主要是對生態環境中的生物和環境進行評價，通過對石羊河流域水流系統、土壤和陸地生態系統等不同指標評價，體現其是否可以作為人們的日常用水和農業灌溉用水，通過GIS健康評價體系，能夠評價流域健康還是不健康的不同等級。它能夠更好地反映生態流域的完整性和恢復能力。通過指標體系法，建立三個層次的生態系統健康的評價指標體系，通過公式的形式來計算具體指標。如下：

（在以上公式中，X代表綜合評價指標，W代表評價指標的權重，X為指標量化后的值，n為評價指標個數。）

表1 生態系統健康評價指標體系

因為湖泊的類型多樣，每一個具體的支流和河流生態系統結構，具體的生態健康表現都有所不同，所以要對體系表所得到的各個層級的指標進行量化處理，從而得到一一對應的等級健康程度。對流域內部水產品的物質生產功能、支流可利用水量占總體流域水量的具體比例、生態系統能夠維持的人口數量增減情況都要具體展示。

2.3 評價單元及其柵格數據疊加

根據目前流域現存區域范圍劃分網格，為之后獲取生態環境各個指標的數據提供基礎模型，通過遙感技術匯集景觀范圍的總面積，篩選掉不適合評價的、低于1.0 km2的樣方，通過最后呈現的網格體系作為石羊河流域健康評價的依據。根據選取的評價單元來進行數據篩選和匯集，將匯集的數據與選取的網格一一對應，形成體系。然后利用GIS的空間分析功能，對得到的數據進行編輯和處理，并對數據所對應流域的圖形進行屬性的區分和標注，通過疊加運算形式匯成數據庫，建立最終的健康評價指標圖。

2.4 評價指標信息提取

2.4.1 壓力指數提取

依據石羊河流域各城鎮的人口分布情況計算人口密度，再依據人口密度計算人類干擾指數，公式如（2）所示：

式中，S為村鎮居民地、建設用地以及交通用地的建設總面積；ST為土地總面積。

2.4.2 NDVI指數

歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可用來獲得植物生長狀態和空間分布數據，被廣泛應用于定性、定量評價區域內植被覆蓋及其生長能力。計算公式如（3）所示：

2.4.3 生態服務功能信息提取

在對石羊河流域生態價值和生態現狀進行評估后，可以直接看到生態服務的具體功能。主要根據生態內部環境資源的條件和服務多樣性，將其分為九大功能。其中，調節氣象、氣候、水循環服務的功能較低；文化多樣性、社會功能較高。生活環境提供、生產功能幾乎為零。

2.4.4 景觀指數信息提取

石羊河流域的景觀多樣性、斑塊平均面積及破碎度指數參考鄔建國的計算方法。

2.4.5 生態彈性度指數

生態彈性度指數一般被用來定量表示系統在受到干擾后的恢復能力，其計算公式如（4）所示：

式中，ERI為生態彈性度指數；Si為每種景觀的面積比；Pi為彈性分值歸一化處理后的數值。由于石羊河流域獨特的生態環境狀況，生態彈性度指數由專家打分和參考野外調查資料共同決定。

3 評價結果與分析

3.1 壓力分析

國家重點要通過科學合理的方法去打造“有河有水、有魚有草、人水和諧”的石羊河，讓石羊河繼續在綠色國土上流出自己的一道印記，用其汩汩清澈的流水描繪甘肅生態環境的美麗畫卷。但是，要想達到美好愿景，就要考慮到使用和生態環境惡化受到的影響因素，尤其是生態流域能夠承受的壓力程度。包括來自于外在的人為活動以及全球氣候變暖帶來的巨大影響，還有內部氣候條件干旱、降水少，導致水流流域降水無法供給的狀況，還要用僅有的流水去供給周邊水草生物的成活。讓本就脆弱到石羊河流域承受著巨大的供水壓力。通過分析壓力來源和壓力程度的大小，能夠更好地規劃石羊河流域水分的分配，減少外界壓力對其自身內在系統的干擾和破壞。更快更好地改善退化的流域，根據壓力值的分布去調節壓力、減小壓力。

3.2 狀態分析

整體上來看，江河流域的生態活力主要以天祝為最佳，以金川區為最差，生態活力與其植被分布范圍和密度有巨大的聯系。根據流域內部景觀多樣性和具體對應的植被分布面積從而得到相應指標，發現指標降低的都分布于山區，這些地方人類活動少植被覆蓋高。而受干擾程度最大的，主要是城鎮、市區中心，而組織指標較好的區域則分布于濕度干擾狀態下的低值區域之間的國度地帶，尤其是古浪，這里是森林面積較大，結構復雜、類型多樣。健康的生態系統對干擾具有抵抗和彈性的能力，彈性越大，系統就越健康。從彈性指標的分布可以看出，彈性指標的高值區域位于林地茂密、水源地、農田較多的肅南裕固族自治縣、天祝藏族自治縣和古浪縣，低值區域分布于民勤和金川區。

3.3 生態系統健康綜合評價

以PSR模型對石羊河流域生態健康進行綜合評價，結果表明，石羊河生態系統很健康區域為肅南裕固族自治縣，健康區域為天祝藏族自治縣和古浪縣，亞健康區域為涼州區，不健康區域為民勤，金川區由于人口密度大，人類干擾的作用較為顯著，生態系統結構不合理，系統活力較低，自然生態系統處于嚴重退化階段，故金川區為疾病區域。

4 討論

本研究采用RS與GIS技術，獲取了生態系統健康的定量評價指標，以景觀尺度對石羊河流域的綜合治理提供了參考。研究結果表明：遙感和地理信息技術可以用來做區域性的生態健康評價，研究結果精度較高、直觀，生態健康的等級劃分對區域生態安全有一定預警作用；PSR模型計算得出城鎮地區由于路面硬化、植被缺失、規劃不合理和環境污染等因素一般都處于亞健康狀態，應該作為區域景觀格局優化和生態恢復的重點區域；石羊河生態系統很健康區域為肅南裕固族自治縣，健康區域為天祝藏族自治縣和古浪縣，亞健康區域為涼州區，不健康區域為民勤。金川區為疾病區域；要保護石羊河，注意上、中、下游的水資源的合理分配，注重保護森林資源。限于石羊河流域生態環境資料欠缺，文章設計的生態健康評價指標體系尚不完善，為了追求更加合理科學的體系建設，需要我國生態學環境學的工作人員不斷去努力探索。